O componentă esențială a unui vehicul electric (EV) este încărcătorul de bord (OBC – On-Board Charger), care transformă curentul alternativ (AC) în curent continuu (DC) pentru a reîncărca bateria de înaltă tensiune a vehiculului. Eficiența și fiabilitatea OBC-urilor influențează semnificativ performanța vehiculului și experiența utilizatorului. Din acest motiv, ele sunt importante pentru producătorii de vehicule electrice.
O soluție completă
La expoziția PCIM 2024, organizată la Nürnberg, Germania, Microchip Technology a prezentat o soluție pentru încărcătoarele de bord (OBC) care reunește dispozitive digitale, analogice, de conectivitate și de putere, calificate pentru aplicații auto. Printre acestea se numără MOSFET-urile mSiC în capsulă D2PAK-7L XL, un format consacrat în industrie. Compania a publicat și un document tehnic cu detalii suplimentare despre optimizarea performanței proiectului și scurtarea timpului de lansare pe piață prin implementarea acestei soluții OBC.
Datorită funcțiilor avansate de control, izolării de înaltă tensiune, imunității la zgomot, reducerii pierderilor de comutație și gestionării termice îmbunătățite, soluția Microchip sporește eficiența și fiabilitatea încărcătoarelor de bord. Compania oferă module software pentru corectarea factorului de putere (PFC), conversia DC-DC, comunicații și diagnosticare. Acestea accelerează dezvoltarea sistemului și permit adaptarea lui la cerințele producătorilor de echipamente originale (OEM).
Figura 1 prezintă aplicația demonstrativă de tip totem-pole pentru PFC, realizată de Microchip cu dsPIC33C.
Figura 1: Aplicație demonstrativă PFC de tip totem-pole. (Sursă: Microchip Technology)
Soluția urmărește să sporească eficiența și fiabilitatea sistemului OBC, valorificând funcțiile avansate ale controlerului digital de semnal (DSC) dsPIC33 și caracteristicile MOSFET-urilor mSiC, care reduc pierderile de comutație și îmbunătățesc gestionarea termică. Pentru a simplifica lanțul de aprovizionare al clienților, Microchip oferă tehnologii esențiale pentru diferitele funcții ale unui OBC, inclusiv interfețe de comunicații, securitate, senzori, memorie și sincronizare.
Bidirecționalitate
Gestionarea inteligentă a energiei și conectivitatea susțin funcțiile vehicul-rețea (V2G), vehicul-locuință (V2H), vehicul-sarcină (V2L) și vehicul-vehicul (V2V). Astfel, încărcătoarele de bord pot gestiona fluxul de energie în ambele sensuri.
Dimensiuni compacte
Proiectarea compactă și gradul ridicat de integrare al încărcătoarelor de bord contribuie la eficiența și flexibilitatea sistemelor de încărcare pentru vehicule electrice. Integrarea convertoarelor DC-DC de joasă tensiune permite conversia de la 400 V sau 800 V la 12 V sau 48 V. În funcție de configurație, încărcătoarele de bord pot accepta alimentare în curent alternativ monofazat sau trifazat.
Adoptarea încărcătoarelor de bord de mare putere, bidirecționale și cu grad ridicat de integrare va influența semnificativ evoluția infrastructurii de încărcare și promovarea transportului durabil la nivel global, pe măsură ce piața vehiculelor electrice se extinde.
Cerințe pentru încărcătoarele de bord
Pentru performanțe optime și o durată de viață îndelungată, încărcătoarele de bord (OBC) trebuie să fie eficiente, compacte și fiabile. Gestionarea termică este esențială pentru buna funcționare și durata de viață a sistemului OBC, mai ales la niveluri ridicate de putere.
În plus, sistemele OBC trebuie să respecte standardele și reglementările relevante de siguranță, inclusiv IEC 61851 și SAE J1772. Pentru integrarea cu rețeaua de bord a vehiculului și cu infrastructura externă de încărcare, acestea ar trebui să ofere interfețe de comunicație adecvate.
Componente-cheie
Soluția OBC de la Microchip integrează două componente-cheie:
- Controler digital de semnal (DSC) dsPIC33C – Calificat conform AEC-Q100, dsPIC33C este proiectat pentru aplicații de conversie a puterii. Integrează un nucleu DSP de înaltă performanță, module PWM de înaltă rezoluție și convertoare analog-digitale (ADC-uri) de mare viteză. Este pregătit pentru aplicații cu cerințe de siguranță funcțională și suportă ecosistemul AUTOSAR®.
- MOSFET mSiC – Capsula D2PAK-7L XL pentru montare pe suprafață, calificată conform AEC-Q101, are cinci terminale de detecție a sursei (source-sense leads) conectate în paralel. Acestea reduc pierderile de comutație, măresc capacitatea de transport a curentului și reduc inductanța. Dispozitivul suportă tensiuni ale bateriei de 400 V și 800 V.
Niveluri de putere mai ridicate
O densitate de putere mai mare transformă experiența utilizatorilor, făcând încărcarea mai rapidă și mai comodă. Joe Thomsen, Vicepreședinte al diviziei Digital Signal Controller din cadrul Microchip, subliniază importanța infrastructurii de încărcare pentru vehiculele electrice. În călătoriile sale de afaceri în China, a observat că acolo există aproape de zece ori mai multe stații de încărcare pentru vehicule electrice decât în SUA. Stațiile furnizează, de asemenea, tensiuni tot mai mari. După cum explică Thomsen, pentru aceeași putere transferată, dublarea tensiunii înjumătățește curentul, ceea ce facilitează transferul energiei către vehicul.
“Microchip a creat o echipă dedicată megatendinței E-Mobility, cu resurse specializate pentru a susține această piață în creștere. Astfel, pe lângă soluțiile de control și etajul de putere pentru un OBC, le putem oferi clienților și soluții de conectivitate, sincronizare, senzori, memorie și securitate”
Un alt aspect interesant al infrastructurii de încărcare, menționat de Thomsen, îl reprezintă cercetările unor startup-uri și universități privind conectarea directă a stațiilor de încărcare la liniile de înaltă tensiune ale furnizorilor de energie. Pentru a utiliza aceste tensiuni, încărcătorul trebuie să includă un transformator în stare solidă. Soluția reduce costurile și greutatea, crește eficiența și, în cele din urmă, economisește energie electrică.
Tendințe pe piața OBC
Clayton Pillion, Vicepreședinte al diviziei SiC din cadrul Microchip, anticipează o creștere susținută a pieței vehiculelor electrice în următorii doi-trei ani, în ciuda stagnării recente observate în regiuni precum SUA. Această perspectivă evidențiază necesitatea extinderii infrastructurii de încărcare și a reducerii temerilor legate de autonomie prin scurtarea timpilor de încărcare.
“Soluția completă de sistem oferită de Microchip, de la DSC-urile dsPIC până la soluțiile mSiC, îi poate ajuta pe inginerii care proiectează aplicații OBC să scurteze timpul de lansare pe piață și să reducă semnificativ complexitatea proiectării”
Control digital
Controlerele digitale de semnal (DSC) dsPIC33 de la Microchip integrează un nucleu dsPIC® DSC de 100 MIPS, care include un procesor de semnal digital (DSP) și periferice avansate. Seria dsPIC33 oferă avantaje importante în aplicațiile OBC. Nucleul de înaltă performanță și perifericele de mare viteză lucrează împreună pentru a răspunde cerințelor stricte ale aplicațiilor OBC.
Familia dsPIC33 oferă funcții și resurse care pot simplifica procesul de certificare a siguranței funcționale pentru aplicații auto critice, cu niveluri ASIL B/C. Pentru aceste dispozitive, Microchip pune la dispoziție pachete de suport pentru siguranță funcțională conform ISO 26262, rapoarte FMEDA, manuale de siguranță și biblioteci de diagnosticare.
Seria dsPIC33CH are o arhitectură cu două nuclee: unul este dedicat procesării de semnal de înaltă performanță și unor sarcini precum corectarea factorului de putere (PFC), iar celălalt gestionează funcțiile sistemului și comunicațiile. Această împărțire a sarcinilor sporește eficiența sistemului și permite procesorului dsPIC să execute simultan algoritmi complecși de control și protocoale de comunicație, fără a pierde din viteză.
Datorită capabilităților avansate de procesare digitală a semnalelor, dsPIC poate executa eficient algoritmi complecși pentru conversia puterii, control și modulație. Procesarea rapidă a semnalelor permite reglarea precisă a formelor de undă ale tensiunii și curentului, îmbunătățind calitatea energiei electrice și eficiența încărcării.
Figura 2: Aplicație demonstrativă pentru conversia DC-DC. (Sursă: Microchip Technology)
MOSFET-uri de putere SiC
Soluțiile SiC de la Microchip oferă mai multe avantaje față de arhitecturile convenționale bazate pe siliciu. Noile variante de MOSFET-uri SiC pentru montare pe suprafață sunt potrivite pentru aplicații pentru vehicule electrice cu baterii de 400 V și 800 V, mai ales în spații restrânse, precum cele din încărcătoarele de bord. MOSFET-ul mSiC, calificat conform AEC-Q101, este montat într-o capsulă D2PAK-7L XL pentru montare pe suprafață. Aceasta are cinci terminale de detecție a sursei conectate în paralel, care reduc pierderile de comutație, măresc capacitatea de transport a curentului și reduc inductanța.
Figura 2 prezintă aplicația demonstrativă de conversie DC-DC. Pe lângă placa dsPIC33C, sunt vizibile patru MOSFET-uri de putere mSiC, dispuse câte două de fiecare parte a transformatorului de izolare: două pe partea primară și două pe cea secundară.
Drivere de poartă
Driverele de poartă configurabile mSiC™ de la Microchip contribuie la creșterea densității de putere a sistemului și la reducerea pierderilor de comutație. Configurabile integral prin software, aceste drivere digitale previn semnalările false și reduc oscilațiile, interferențele electromagnetice (EMI), precum și supratensiunile și subtensiunile tranzitorii. Ele integrează tehnologia brevetată Augmented Switching™ și oferă protecție robustă împotriva scurtcircuitelor pentru modulele de putere SiC și IGBT.
Microchip folosește o strategie de comandă digitală a dispozitivelor SiC pentru a asigura un nivel ridicat de fiabilitate și eficiență. În cazul dispozitivelor SiC, soluțiile analogice standard pot necesita ajustări suplimentare pentru limitarea oscilațiilor, supratensiunilor și subtensiunilor tranzitorii, deși funcționează foarte bine cu dispozitivele pe bază de siliciu.
Tehnologia Augmented Switching, utilizată de driverele de poartă programabile digital, permite configurarea precisă a pornirii și opririi dispozitivelor și controlul fronturilor semnalului aplicat porții. Astfel, reduce supratensiunile tranzitorii și oscilațiile, îmbunătățește eficiența sistemului și limitează interferențele electromagnetice.
Concluzie
Microchip consideră E-Mobility una dintre cele șase megatendințe cheie și a creat o echipă dedicată, cu resurse specializate, pentru a susține această piață în creștere. Folosite împreună, soluțiile Microchip – de la DSC-urile dsPIC până la cele mSiC – îi pot ajuta pe inginerii care dezvoltă aplicații OBC să simplifice proiectarea și să scurteze timpul de lansare pe piață. Microchip este un furnizor de încredere pentru producătorii de automobile și principalii furnizori din industria auto. Tehnologiile sale de bază pentru sistemele OBC contribuie la simplificarea lanțului de aprovizionare și la eficientizarea operațiunilor.
Glosar de termeni
OBC (On-Board Charger) — încărcător de bord al unui vehicul electric.
AC / DC — curent alternativ / curent continuu.
PFC (Power Factor Correction) — corectarea factorului de putere.
DSC (Digital Signal Controller) — controler digital de semnal.
DSP (Digital Signal Processor) — procesor de semnal digital.
PWM (Pulse-Width Modulation) — modulație în lățime de impuls.
SiC (Silicon Carbide) — carbură de siliciu, material semiconductor folosit la dispozitive de putere.
MOSFET — tranzistor cu efect de câmp, utilizat pentru comutarea și controlul puterii.
IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) — tranzistor bipolar cu poartă izolată.
EMI (Electromagnetic Interference) — interferențe electromagnetice.
V2G / V2H / V2L / V2V — transfer de energie între vehicul și rețea / locuință / sarcină / alt vehicul.
ASIL B/C — niveluri de integritate a siguranței funcționale pentru aplicații auto.
FMEDA — analiză a modurilor de defectare, a efectelor și a capacităților de diagnosticare.
Terminale source-sense — terminale de detecție a sursei; în capsula mSiC, cinci terminale conectate în paralel.